1.3. Инвертор (коммутатор) двигателя

1.3.1. Соединение логического блока и инвертора.

Рис. 1. 15. Примеры схем соединения логического блока и инвертора: а, б — непосредственное; в, г — между блоком и инвертором включен усилитель.

Выходной сигнал подается на вход силового инвертора (коммутатора), который управляет включением обмоток двигателя. Инвертор можно будет назвать коммутатором двигателя или просто коммутатором. Простейшим способом соединения является непосредственное, как показано на рис. 1.15, а, б.

Но если выходные сигналы логического блока недостаточны для управления силовыми транзисторами, то необходимо между коммутатором и логическим блоком включить усилитель, как это показано на рис. 1.15,в, г.

1.3.2. Проблемы разработки коммутатора (инвертора).

Обмотку ШД представляют на схеме замещения последовательным соединением индуктивности и резистора. Кроме того, при вращении ротора в обмотках возникает ЭДС. Следовательно, эквивалентная схема замещения ШД выглядит, как показано на рис. 1.16.

Рис. 1. 16. Эквивалентная схема замещения для обмотки ШД

Прежде всего, следует рассмотреть наихудшие условия эксплуатации двигателя и силовых транзисторов для различных значений напряжения питания. Так как ШД разрабатывают для получения максимальной мощности в минимальном объеме, значение температуры может достигать порядка 100 °С и, таким образом, сопротивление обмотки повышается на 20-25%.

1.3.3. Защита транзисторов коммутатора.

При запирании транзистора (см. рис. 1.16) из-за наличия индуктивности L (di/dt) возникает ЭДС самоиндукции, которая может привести к выходу из строя транзистора. Существуют различные способы снижения перенапряжения и защиты транзистора.

Рис. 1.17. Диодная защита.	Рис. 1.18. Диодно-резисторная защита.	Рис. 1.19. Защита с помощью стабилитрона.

1. Диоды обратного тока. Если параллельно с обмоткой включен диод, как это показано на рис. 1.17, то после выключения транзистора ток обмотки замыкается через него. В этой схеме не бывает больших изменений тока при выключении и потенциал коллектора равен напряжению питания Е плюс падение напряжения на открытом диоде. Этот способ защитыпрост, однако ток в обмотке протекает в течение некоторого времени после запирания транзистора, что приводит к появлению тормозного момента.

2. Диодно-резисторная защита. Для быстрого демпфирования тока последовательно с диодом включается резистор, как показано на рис. 1.18. Напряжение V_qe на коллекторе при отключении равно

V_CE= Е + IR_S+ V_FD,

где Е — напряжение питания; I — ток в обмотке до выключения транзистора; R_s — сопротивление резистора; V_FD — падение напряжения на диоде.

Чем больше R_s, тем быстрее затухает ток после выключения транзистора и выше потенциал коллектора. Таким образом, быстрое уменьшение тока в обмотке приводит к большим перенапряжениям на транзисторе.

3. Защита с помощью стабилитрона. Часто последовательно с обычным диодом включают стабилитрон, как показано на рис. 1.19. По сравнению с двумя предыдущими схемами в этой уменьшение тока после выключения происходит быстрее (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Сравнение действия различных схем защиты: 1 - диод; 2 - диод и резистор; 3 - диод и стабилитрон.

Рис. 1.21. Пример четырехфазного инвертора со стабилитронной защитой.

Достоинством данного способа является то, что потенциал коллектора равен напряжению питания плюс напряжение пробоя стабилитрона, которое не зависит от тока. Это упрощает определение максимума потенциала коллектора. На рис. 1.21 приведена схема коммутатора с защитой транзисторов с помощью стабилитрона для четырехфазного двигателя. Резисторы R1 и R2 включены для быстрого нарастания возбуждающего тока.

4. Емкостная защита. Ее часто используют для двигателей с бифилярными обмотками. Работа схемы объяснена на примере коммутатора для четырехфазного двигателя (рис. 1.22). Конденсатор включают между фазами 1 и 3 и 2 и 4. При отключении транзистора он поглощает энергию, запасенную в обмотке, тем самым защищая транзистор. Рассмотрим ситуацию, возникающую сразу после отключения транзистора VT1, при однофазном управлении. Включен либо VT2, либо VT4, УТЗ пока находится в отключенном состоянии. Так как обмотки фаз 1 и 3 выполнены бифилярными, то ток будет циркулировать так, как показано на рисунке пунктирной линией. Если VT3 включить, когда протекающий ток становится равным нулю и заряд на конденсаторе максимален, то в этом случае ток от источника питания протекает через обмотку фазы 1.

При двухфазном управлении такая же картина сохраняется. Емкостная защита целесообразна в электроприводах, для которых шаговая частота вращения (частота приемистости) относительно невелика.

Другая особенность схемы состоит в том, что конденсатор является электрическим демпфером. Как было показано, способ демпфирования колебаний ротора заключается в переводе кинетической энергии в тепловую. Если колеблется ротор, содержащий постоянный магнит, то в обмотке возникает ЭДС индукции. Однако, когда цель разомкнута или подключено большое сопротивление, эта ЭДС не приводит к появлению значительного тока. Если конденсатор включен между фазами обмотки, ток проходит по замкнутой цепи, показанной на рис. 1.22, и в обмотках выделяется тепловая энергия, т.е. конденсатор работает как электрический демпфер.

Рис. 1. 22. Четырехфазный инвертор с емкостной защитой. Значения сопротивления R_e подобраны таким образом, чтобы ток не превышал номинального значения.

Кривые зависимостей выходного момента от емкости, полученные для гибридного двигателя [2], приведены на рис. 1.23.

Шаговая частота вращения, Гц

Рис. 1.23. Изменения механических характеристик при различных емкостях конденсатора, включенного между фазами. Измерено по схеме рис. 1. 22.

Исследуемый двигатель типа Step-Syn 103-807-6 (четырехфазный гибридный с углом шага 1,8°); двухфазное возбуждение; момент инерции нагрузки 2,44 • 104 кг • м²и нормированный ток 3,05 А на каждую фазу. Чем меньше емкость, тем больше при больших шаговых частотах вращения выходной момент, который возникает из-за быстрого снижения тока после выключения. Как показано на рис. 1.24 иногда вместо этого с уменьшением емкости растет максимальный потенциал коллектора транзистора после его отключения.

Рис. 1.24. Изменение потенциала коллектора транзистора с изменением емкости при максимальном выходном моменте.